泽天传感爆炸冲击波压力传感器初步研制方案

一、项目研制背景和意义

炸药在空中爆炸时生成的空气爆炸的峰值超压和冲量是炸药能量特性的一项重要参数，也是衡量弹药特别是爆破及杀伤——爆破战斗部损伤效果的一项重要指标，其准确测量具有重要的意义。爆轰物理试验、炸药和武器性能评价、意外爆炸灾害评估中的一个重要测试参数就是爆炸压力。从20世纪50年代和60年代起，随着武器的发展和太空时代的到来，就对可测量震动波、爆炸、火箭燃烧不稳定性和弹道发射的高频压力传感器提出了使用需求。本项目所研制的空中爆炸压力传感器主要用于爆炸中爆炸压力的测量。国内军工单位，各类爆破公司1000余家，建筑、铁路、公路工程公司大多都需要进行爆破威力测试和评估，市场需求量大，产品附加值高，开发爆炸压力传感器具有良好的经济效益和社会效益。

二、项目研制的主要内容

1．产品要实现的主要技术要求：测量范围：0～1000MPa；谐振频率：≥500KHZ(随机实验)；上升时间：≤1.5μs(随机实验)；灵敏度：≥0.02mV/kPa(随机实验)；准确度：≤1.0%FS；工作温度范围：-25～+80℃

2．项目研制的主要内容：产品主要用来测量爆炸的压力，测量量程大，量程上限为1000MPa，不能采用应变式的压力计，需要改为压阻式的传感器。工作原理的改变，使得产品的开发从设计、结构、工艺等方面均需进行研制。针对产品研制的技术指标，本产品的设计开发的重点是工艺的研究。

研究爆炸应力效应以及高静水压力，国内外均采用锰铜丝或锰铜箔应变计制成的传感器，锰铜压阻计是目前量程最高的压力传感器。锰铜合金是一种常用的精密电阻合金材料，它具有电阻温度系数小、压阻特性好的特点，它的电阻变化与爆炸压力间呈线性关系，锰铜材料本身到125GPa都不发生相变，原则上可测量100GPa以上的压力，所以，该项目研制采用锰铜压阻传感器来实现爆炸的测量。但锰铜的电阻率低，其压力灵敏系数也仅为2.7%/GPa，要获得0.02mV/kPa以上的灵敏度要求，必须在工艺上进行研究，提高产品的电阻值，尽量提高产品的应变灵敏系数，减小温度及其它环境条件对产品测量的影响。

三．项目研制方案、技术难度、解决途径

1．关键技术：从原理上进行分析，本项目要解决的关键技术主要是：高量程（0～1000MPa）、高灵敏度（≥0.02mV/kPa）、高频率（≥500KHZ）。传感器的结构尺寸要求小。

2．初步总体设计方案：从原理上，本项目采用锰铜压阻传感器来实现，即通过锰铜电阻的电阻率的变化来测量压力变化。从设计上主要是材料、结构和工艺三方面。

利用金属的压阻效应测量压力，对金属材料一般要求其由压力引起的电阻率的变化比由温度引起的电阻率的变化大得多，从而使得由温度引起的电阻率的变化可以忽略；为便于测量和分析，在动态压力作用下，该材料不会出现相变；为了获得大的灵敏度输出，要求随压力的变化，电阻值的变化要大。锰铜精密电阻材料的温度系数是2×10-5/℃，比一般导体的温度系数5×10-3/℃小两个数量级，而且在动态压力下不会发生相变，是符合高量程要求的最为理想的材料。在一维压缩情况下，锰铜的电阻率相对变化和电阻值相对变化都仅仅是压力的函数，ΔR/R=KP，式中K是锰铜的压阻系数，它与材料成分及传感器有关。在恒流源供电的情况下，要获得大的输出灵敏度，就必须获得大的电阻变化。

根据性能指标要求，要大于0.02mV/kPa，满量程输出要达到20V。用100mA的恒流源供电，电阻的变化值要达到200Ω。而锰铜的灵敏度系数仅为2.7%/GPa，在1000MPa的压力下，电阻的变化值仅为2.7%，要获得200Ω的变化值，锰铜电阻要达到7.4KΩ。锰铜压阻传感器一般为箔式和丝式两种，而且电阻一般只几十到几百欧，要做到几千欧是不可能的，也就是说，这两种形式的锰铜压阻传感器无法达到要求的灵敏度。

本项目中将采用薄膜式锰铜压阻传感器来实现大的灵敏度。压阻传感器的感压面积应尽可能小，由于加工的难度，丝式和箔式的锰铜栅条电阻的大小就受到了限制，无法实现大的灵敏度输出。而通过离子束溅射而成的薄膜电阻，加上光刻工艺，可以制造出几百至几千埃的薄膜电阻，在同样的感压面积上可以获得较大的电阻值，在原理上可以实现大的灵敏度要求。通过这样的方式设计，可以实现1000MPa的爆炸压力的测量。

3．技术难度与解决途径：针对各项技术指标，技术的难度主要在于工艺的实现与高频响的设计。为实现产品的技术指标，在原理上，要重新根据尺寸要求与性能要求对栅条的位置与形状进行设计，并确定光刻版图；在工艺上，要重新试验，确定镀膜材料、镀膜参数、镀膜时间、光刻材料与参数；在结构上，要结合薄膜性能与设计要求，对基底材料与厚度进行设计，从而获得高频响的传感器。

爆炸压力传感器是用于动态测量，其弹性敏感元件的固有频率是极重要的参数。在本项目中，选用SiO2材料作为弹性元件，SiO2材料绝缘性好，质量较轻，但弹性模量与钢相当，适合制作高频率响应的传感器。经理论计算，弹性元件尺寸为30×10×6mm时，完全能保证传感器的频率响应高于500kHz。而且这个尺寸有利于工艺制作。

为了保证足够大的灵敏度输出，在栅条电阻的设计上，设计薄膜总长度为400mm，宽40μm，厚度为0.5μm。经计算，设计的栅条电阻的阻值约10kΩ，能满足灵敏度输出要求。通过材料的选取与结构尺寸、版图的设计，理论上能保证锰铜薄膜压阻传感器能满足预定设计要求。技术上的另一难点就是工艺上的实现。在工艺上，步骤与应变式薄膜压力传感器基本类似。在所镀功能薄膜上，选择在高纯度的SiO2弹性元件上直接沉淀锰铜薄膜，考虑到锰铜的易氧化性，将在锰铜膜上再沉淀SiO2保护膜，在其上喷涂绝缘保护层。在外引导线上，因结构的紧凑，将采取大焊盘，再直接在膜层上外焊导线引出。

要获得0.5μm厚度的锰铜薄膜，溅射的能量参数与溅镀时间均必须经过大量的工艺试验进行确定。而且各种工艺过程参数将影响锰铜薄膜的粘附性能、温度性能、稳定性能、压阻性能等，要获得性能稳定、一致的锰铜薄膜，制造性能可靠、重复性好的锰铜压阻传感器，是研制中的重点与难点。需要大量的工艺摸索。在薄膜压力传感器的技术基础上，进行新工艺研究，从原理、材料、工艺过程参数、结构等方面进行设计与试验，应该可以获得性能优良的锰铜压阻传感器。本文源自泽天传感，版权所有，转载请保留出处。